電力･エネルギー
700m･400MW級超高揚程大容量ポンプ水車
Deve】opmentof700m-400MWClassUltrahigh-HeadLarge-CapacItyPumpTurbine
l池田孝蔵
稲垣守人 脳z∂戊gdαル払γ才/め0血(柳ゑ才 ㌦噸幾遺筆醤込 (a)地下発電所位置と下池 (b)ポンプ水車全体(CAD図) (c)ランナの振動解析 新倉和夫 肋z〟0〃才才々〟和 大嶋膵宏 助ね〟ゐ才和∂ざカタ椚α 東京電力株式会社薯野川 発電所ポンプ水車1号機 ポンプ水車が据え付けられ た地下発電所の位置と下地を (a)に,三次元CADで作った 葛野川用ポンプ水車の断面を (b)に,ランナの振動現象を 解析で行った結果を(c)にそ れぞれ示す｡ 火力･原子力を主たる電源とするわが国では,系統の尖(せん)頭負荷調整の役割を担う揚水発電所がこれまでに約40か所建 設されてきた｡揚水発電所は,揚程が高いほど利用する水のエネルギー密度が高くとれるので,貯水池やポンプ水車が小型化 し,環境に与える影響も少なく,経済的である｡そのため､ポンプ水車は高揚程･大容量化の一途をたどり,現在ではすでに 1970年代に始まった500m･300MW級の時代を脱し,700m･400MW級の時代に入っている｡ 超高揚程ポンプ水車の心臓部であるランナには,150m/Sもの高速･高圧水の翼列干渉による強大な流体加張力が作用する ので,共振を回避するなど高い強度信頼性が要求される｡超高揚程ポンプ水車の実現の見通しを得るため,東京電力株式会社 と日立製作所は共同で,1989年から2年間にわたりランナの水中共振現象の解明と変動応力低減についての研究を行った｡ 詳細設計では,流れ解析や三次元CADと強度･振動解析などの最新技術を用いることにより,高効率･低水圧振幅の流体性 能と,合理的な高剛性構造との協調を図った｡一方,これまでよりも厳しい条件下に置かれる主軸封水装置などについては, 実物大コンポーネント試験を行い,性能と耐久性を確認した｡現地の有水試験では,振動･騒音などが従来の500m機よりも むしろ少なく,優れたポンプ水車であることが実証され,現在順調な運転を続けている｡はじめに
今から40年前に運転を開始したわが国初のポンプ水車
(四国電力株式会社人森川発電所,12.2MW)の揚程は130m弱であった｡その後わずか15年の1973年には冊界
で初めて500mを超え(電源開発株式会社子召原発電所,230MW),さらに1999年12月には最高揚程778mの超高
落差ポンプ水車(東京電力株式会社葛野川発電所,412MW)が営業運転を開始した｡この間にポンプ水車
は,揚程6倍,容量30倍という成長を遂げたことになる｡
ポンプ水中の最高揚程の推移を図1に示す｡超高揚程･ 大容量ポンプ水車の実現には,地道な研究開発や問題解 決の過程で得られた技術蓄積のほかに,最近のコンピュ ータの発展に伴う流れ解析やCADと一体となった構造解 析などの進歩が碁盤となっている｡ ここでは,これらの開発に適用した技術について以卜▲ の4項口に分けて述べる｡ (1)流体設計技術:翼血創成,自動メッシュ生成,準_-__三次元解析,定常･非定常乱流解析,結果の吋祝化ソフト
ウェアなどを用いた高効率化,キャビテーション件能改
900 800 700 600 盲 500 泄 聖聖 帖 口臣 400 300 200 100 )主:
口(記録揚程機)
[](実績) :召原 528薫別鰐冨原
230m caslaic 立岩高揚程ポンプ 水車の開発期間 (共同研究) ∧濁叩呂諾幸
葛野川 778m口
天山 602.9mび蘇｡
奥清津 奥講津Ⅲ ロ ロ奥矢作 口大河内白冨㌫良木【
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水殿 1960 1970 1980 1990 2000 2010 運転開始時期(西暦年) 図1最高揚程の推移 ポンプ水車の揚程は,年々高揚程化している｡ 善,逆流特性改善,振動低減技術 (2)構造設計技術:二次元CAD/CAEによる強度解析, 振動解析,組立シミュレーション,NC(数値制御)テー プ作成などを並行して行う構造設計技術 (3)主要コンポーネント開発:高強度信頼性のランナ,高圧･高速軸封水装置,各種パッキングなどの高信頼性
主要部品の開発技術 (4)特殊逆転設計技術:調相運転時のドラフト淋気低 減,運転中調相切換など特殊運転に関するもの流体設計技術
ケーシングからドラフトチューブに至るポンプ水中の
すべての流体設計には流れ解析を川い,最終的性能確認
のために水力模型試験を行った｡巌近は,机上設計の流
水￣血形状について流れ解析を行い,性能(羽根出入I+角
度の良否,巽￣向上の負荷分布,キャビテーション気泡が
発生する吸出し高さや発生位置,ランナ内の低流量逆流
現象によって大きな振動を発牛する揚程,水力損失の大 きさと分布など)が予想できる〔｡ 以前は,模型を二製作してピトー管や油膜流跡法で流動状態を観察するなど,設計の検証に多大な時間を要して
いたものが,今では机上で短時間で判定できるようにな
った｡現在は,カット アンドトライの模型試験から, CFD(ComputationalFluidDynamics)中心の流体設計
としている｡ 流体設計には,羽根角度や羽根間クリアランスの設計 要求を満たし,常に■､lえ滑なランナ翼面を自在に創成する 翼面創成ツールを用いた｡このツールは,パソコン上で, 流れ解析用の要素モデルをきわめて短時間に生成した り,模型や実物の製造に必要なNC点群を出力すること もできる｡翼￣血創成ツールからランナの流れ解析用要素 モデルを実際に作り,流れ解析を行った例を図2に示す｡ 流体設計に使用する流れ解析には,ワークステーショ ンによって庄ノJ･速度分布を数分で計算する非粘性定常 準三次元流れ解析や良一￡乱流モデルを用いた定常乱流解 析のほかに,スーパーコンピュータで行う非定常乱流解 析がある｡こゴ1らのレベルの異なる解析を,流体設計の初期から詳細までの各段階で使い分けることにより,設
計の効率と精度を上げた｡ランナ山の損失の分布を計算した例を図2(a)に,逆流現象が発生している場合の速度
分布を同園(b)にそれぞれ示す｡いずれも非定常乱流解 析の例であり,はく離渦が放出されたりする時間的に (a) 〈や; (b) 図2 翼面創成ツールで作成した流れ解析格子による解析例 翼面創成ツールでランナ羽根を設計すると,羽根聞流路の流れ 解析用格子を生成し,損失の分布(a),非設計点の流動状態(b〉 などが計算できる｡700m･400MW級起高揚程大容量ポンプ水車167 刻々と変化する現象も観察することができる｡これらの 流れ解析の結果は可視化ソフトウェアを用いて,設計者 が判断しやすいような物理的に意味のある演算を施して
表示することもできる｡
フランシスポンプ水車のランナは固定+湘廷なので,部
分負荷や低落差運転点は設計点から離れ,キャビテーショ ンが発生しやすくなったり,大きなはく離と旋l叫流を牛 じて振動騒音が増大したりする｡こういった非設計点で の流動状態についても流れ解析を行い,改善を図った｡ 超高落差になると,出力のわりに流量は少なくなるの に対して,ランナのシールから漏れる流量が増えるので, 効率が低下しがちである｡そのため,従来用いてきた多 段シールの段数(クラウン側3段,バンド側4段)を4段と5 段にそれぞれ増やして,効率を向上させた｡)構造設計技術
1990年代になるとCAD/CAEが急速に普及し,さらに 高度な応力･変形解析,振動解析などが比較的容易に行 えるようになった｡超高揚程ポンプ水車の構造設計も, これらの解析を必要とする仁安部占占については,二次元 CADによる設計を行った｡二次元設計モデルを作成する ことにより,即座に解析用FEM(Finite ElementMethod:有限要素法)による要素分割を実行し,各種の
解析(ランナのl司有振動数の計算,スピードリングとlニ カバー問のパッキング部に起動･停止でできるすきま変 動の予想,ステーベーンの強度計算,分割構造上カバー のフランジ接合r前の面｢i三と口開きの有撫,干軸受部分の 変形の予想,入口弁の応力と変形の解析など)を行いな がら,構造や板厚さなどを容易に最適化することができ る｡ポンプ水車の組立l渕を図3(a)に,上カバーとスピー ドリングの応力･変形解析例(FEM)を同凶(b),(c)に それぞれ示す｡ これらの部品をCADで組み立てたり,また可動部品に ついては実際に運動シミュレーションを行うことにより, 寸法や干渉の有無などの確認も行える｡さらに,上カバー仙こある冷却水配筒,バランス管,揚水起動用の給排
気管もモデル化し,据付けや補修時の作業容易性も確認
しながら設計を進めることができるr, 従来の500m･300MW級ポンプ水車と比べた超高揚程ポンプ水車の主な特徴は以￣卜のとおりである｡
(1)超高揚程ポンプ水車のランナやケーシングの寸法は従来機とほとんど同じであるが,恒J転速度は従来械の
429r/minから500r/minに増加している｡設計水圧は,♂∂
g㌔ ニセ俄く粗転独 (a)三次元CAD組立図 変形後 ＼変形前 (b)上カバーの変形解析例 (c)スピードリングの変形解析例 図3 三次元CAD組立図と変形解析例 三次元CADで作った各部品を組み立てることにより.寸法･干渉 チェックが行える｡強度解析用のメッシュは自動的に作成される｡負荷遮断時の水撃による水圧L昇や揚水起動時の締切水
圧を考慮して1.200mと岳庄である｡可動部の岡渋ヤシ
ール部からの漏水などを避けるために,設計水圧で生ずるポンプ水卓各部の変位量を,従来機と同レベルとする
ことを設計の基本以想とした｡そのため,多くの部品の 板厚を増ゃし,高剛性設計としている｡ (2)ステーベーンは設計水江に耐える強度を持たせると 厚くなり,点検･補修時に人がアクセスしにくくなる｡ そのため,枚数を従来の20枚から10枚に減らし,強度と 流体件能を考慮して良く,流線形とした｡ (3)ランナ羽根枚数は,実洛差･実揚程試験によって変 動応力が6枚よりも小さくなることが実証された7枚を採 用した｡)また,人のアクセス容易性をランナの実物大部 分模型によって確認した｡ (4)上カバーと￣トカバーの案内羽根部のプロテクトライ ナは,高圧水がすきまに侵入してはく離することのないように,不鋳(しゅう)鋼比延厚板を溶接する新構造とした｡
(5)上カバー内は,剛性を確保するための厚板リブが多数あって狭いので,上軸′受油槽は外部冷却の強制潤滑方
式を採用して小型化し,主軸封水装置などへのアクセス
件を向_Lさせた｡また,上カバー内を通る各種配管類で
も,上カバーの振動によって配管が破損しないように配慮した｡支持構造はブロックサポートとし,支持位置と
支持間隔も,配管の口径と肉厚を考慮して最適化した｡
(6)案内羽根操作機構には,異物をかみ込むなどして保 護用弱点ピンが切指した場合の案内羽根揺動を防止する ために,摩擦締結装置を組み込んだ｡ (7)￣Fカバーやスピードリングなど埋設品の据付け時に は,溶接やコンクリート打設によって変形が生じ,これ が上カバー封水不良の原因となる｡そのため,__トカバー とこれら埋設品との合わせ面を現地機械加工装置で加工 することにより,シール部の変形によって生ずる初期す きまを十分に取り除いた｡人口弁は口径2,100mmのロータリ弁であり,非常時の
流水遮断が可能な設計とした｡主弁を開ける前のケーシ
ング充水は,従来どおり側弁で行う｡上弁の開閉には, 常用圧力6.9MPaの油圧サーボモータ1個を掴いた｡二 分割構造の弁胴,および弁軸と一体の弁体は,鋳鋼製で ある｡主弁の弁軸受は,何体潤滑の無給油軸受とした〔｡ また,上流と下流に水圧で動作する可動シールリングを 設け,下流シールを常川とし,下流シールの不具合時に は上流シールが常用として使えるようにした｡コンポーネント試験
従来の実績を超えた高速･高圧条件下で肌､る主要部 品については,実物人あるいは縮小棋戦試験を行い,件 能や強度信頼件,耐久性などを確認した｡ 4.1実落差･実揚程模型試験 超高揚程になると,ランナ羽根と案内羽根との問の翼 列干渉で生じる変動止力がランナの水中固有振動数と共 振し,強度信頼性が損なわれる可能性がある｡変動圧力 は,ランナ羽放と案内カニ川呈の枚数の組合せで決まる特定 の加振モードを形成する｡この加振モードや周波数が,ランナの固有振動モードや水中固有振動数と一致すると
共振を起こし,大きな変動ん打力が発生する｡ ランナの累積被害は,定常逆転状態の繰返しんb力によ るものが最も大きい｡そのため,定格回転数での加振周 波数とランナの水中固有振動数を離し,ランナ変動んむ力を低減する必安がある｡しかし,ランナの水中での振動
は水の付加質量の影響を受けることから複雑なので,実
落差･実揚程模型で試験を行った(図4参照)｡
この模型試駿は,巽列干渉,加振ノJ,周波数といった㌦
.㌦丁￣〟 ?"-へ′≠ 霧整髪数鷺敬戦
図4 実落差･実揚程模型試験装置 ランナに発生する実働応力が測定でき,離調率の確認や疲労強 度の評価を行う｡流体力学的な相似条件と,水中で振動する物体の付加質
量や水中共振といった振動力学的な相似条件を同時に満 たすことができる｡この試験に供した模型ランナは実物と向じ材質で製作し,実物と流水面,非流水何ともまっ
たく相似なことから,模型縮尺比に比例した水中固有振
動数を持つ｡ 試験回転速度を定格回転数相当(実物回転数の模型縮 尺比倍)に上げると,試験の落差と揚程がそれぞれ実落 差と実揚程になる｡この状態でランナの変動応力を測定 し,凶転速度を変化させてランナの水中固有振動数を測 定した｡ランナの水中固有振動数は,空中の約0.5倍まで 低下することがわかった｡ 測定した変動応力分布は,解析とよく一致している｡ ランナの共振は,水力件能に影響する流水面を避け,ク ラウンとバンドの剛性や,ランナ背圧室のすきまを変えるだけで避けられることがわかった｡起動停止や負荷遮
断で甲変動応力と繰返し数も含めて総合的な疲労強度評
価を行い,ランナの許容欠陥寸法を定めた｡ また,実物ランナの製作にあたっては,クラウンの背血を機械加工するなど,厚さ(剛性)の管坤を厳しくして,
離調率(共振回転数の定格回転数に対する離れ率)が確実
に確保できるようにした｡ 4.2 主軸封水装置 超高揚程化に伴って封水址としゅう動速度が増加し,700m･400MW級起高揚程大容量ポンプ水車189 フレキシブルカップリング 円筒 隊 :遷L シール 冊卜 器箋 1姿 箋｢ ■+｢ 汁lJl 汐 ､′￠1,140m l冊
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図5 封水装置の実物大模型の構造 実物大模型で実際のしゆう動条件を模擬し,封水性能と耐久性 を確認した｡ 主軸封水装置の使用条件は過酷になる｡実物大試験装置 を川いて,封水性能と過酷な運転条件￣Fでの信頼性と耐 久件を確認した｡基本的な構造は従来と同じだが,シー ル高さを大きくして,2段のカーボンシールと1段の樹脂 シールとした｡たとえカーボン1段が故障して封水機能 を喪失しても,残りの1段だけによる封水でシールの限 界面庄を超えない設計とすることにより,信頼惟を向卜 させた｡実物大主軸封水装置の模型の構造を図5に示す｡ 負荷遮断など大きな軸振動がある状態であっても,シ ールリングが追従して封水性能を保持し,上砂が混人し ても十分な耐摩耗性があることを確認した｡また,揚水 起動や調相運転のときには,ランナ室とドラフトパイプ の水が圧縮空気で押し下げられるので,主軸封水装置の 周りが空気だけとなる｡供給していた冷却水が断たれた場合でも,冷却水配管内に水が残存していればシールは
正常に保たれることも確認した｡ 4.3 案内羽根軸の封水案内羽板軸封水部には締切水圧や負荷遮断時の水撃庄
が直接作川し,しかも,Hl力を変えるたびにしゅう動する｡案内羽根下部軸には操作機構が付かないので,下部
軸受の底を閉じれば案内羽根下部軸の軸封水は省略でき る｡しかし,強大な抑し上げ力に耐えてしゅう動する上 カバー側の支持自が必要となる｡このため,卜部軸側も大気開放とし,上部軸側と同じ封水パッキングを設ける
ことにした｡ 封水パッキングには,英文字"D''に似た断血形状を持 つ合成ゴム製のパッキングを用いた｡パッキングのサイ ズ,ゴム材質の種類と硬さ,段数などを変え,実際の軸 の回転往復しゅう動を実物大模型で模擬して耐久試験を 行った〔〕これにより,最も良時間漏水がなく,パッキング損傷の少ないものを選び,実物に採用した｡
4.4 上カバーの封水上カバーとスピードリングとの間の封水部にも,上記
と何じ水圧が直接作用し,しかも,起動･停止時の水圧 変化によってすきまが変化する｡すきまが大きすぎると 丸ゴムが水圧によって溝から押し出され,その状態で水 圧が下がると,丸ゴムは挟まれて損傷する｡これを起 動･停止で練り返せば,短期間で漏水するようになる｡このような実際の封水部のすきまの変動と,水けの変
化を模擬する試験装置を用いて耐久試験を行った｡丸ゴ ムの充てん率や材質,溝形状などを変えて漏水の有無, 丸ゴムの損傷状況などを調べ,最適なものを選択した｡ また,許容される尾大すきまも定め,変形解析で求めた 起動･停止で生ずるすきまの変化から,許零される据付 け初期すきまを算定した｡その結果,下カバーとスピー ドリングの据付け変形を,現地の機械加工機で十分に除 去することにした｡ 4.5 調相漏気試験超高揚程ポンプ水車の吸出し高さは100mを超え,調
相運転時のドラフトパイプの押し下げ空気の常圧は人気 の10倍以上になる｡押し下げ空気中で回転するランナは 押し下げ水の表向から水を巻き上げ,押し下げ水に強い 旋回流を引き起こす｡水中に混人した気泡は,ドラフト パイプ外周部にできる下降する二次流れに来ってドラフ トベンド部を経て放水路に逃げ,それが押し下げ空気の 漏気となる｡コンプレッサ容量以上の漏気があると,調 相違転を長時間継続することができなくなる｡これが詞相漏気現象である｡
さまざまなドラフトチューブ形状に対して,水中での 気泡の動きを気液二相流流れ解析で計算し,漏気量の相 対評価を行った｡また,実際の吸出し高さ相当の空気圧 でランナを回転させ,調和漏気模型試験を行った｡これ により,漏気の少ないドラフトチューブの形状を見いJl_1 し,実物の猫気長を予測した｡現地試験結果
現地据付け調整後に有水試験を行った結果,揚程･容 量ともに実績よりも人きい機械であるにもかかわらず,0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 6 4 (∈) 咄楔伸哨 0 0 2 稚蚊帳哨 吉 山購 ∈00の 230MW /部分負荷暗 全負荷時
阿∈
勺￣ N Ln 267MW 309MW ∈ 0〇 亡つ の 野 暮 EのNト 単機容量 308MW 412MW (<血P) 柵喋檻エ＼一山≠鴬 1973 1981 1982 1992 1999 運転開始時期(西暦年) 図6 振動･騒音レベルの推移 東京電力株式会社葛野川発電所のポンプ水車は容量･揚程とも に従来機よりも大きいが,振動騒音は小さい｡ 振動･騒音のレベルは従来機よりも小さかった(図6参 照)｡これは,最新の技術を適用して,適切な流体設計 と構造設計を行った成果であると考えるr)水車出ノJや揚水入力などポンプ水中の基本性能は,模
哩試験から予想した値とよく一致した｡負荷遮断や入ノJ
遮断などで得られた過渡特什(回転速度変化,鉄管とドラフトパイプの水托変化)も水撃計算の結果とよく一致
した｡ 実落差･実揚程模型試験で狩られたランナの共振点が 428r/min(離調率-14.3%)であるのに対して,実物の上 カバーの振動加速度にランナ共振のピークが見られた回 転速度は419r/min(離調率一16.2%)とよく･致した｡主軸封水装置の漏水も少なく,ガイドベーンと上カバ
ー封水件能も良好であった｡ドラフトパイプ内の押し￣F げ水面の上昇時閃から測定した調相漏気量は,主軸封水 装罷からの漏∼t量程度しかなく,ドラフトチューブからの磁気はほとんどなかったと考える｡空転入力も予想よ
F)小さいので,長時間の調相違転が可能である｡ _Lカバー内の配管の振動も小さいことから,配管の支 持構造と支持位置が適切であったと考える｡おわりに
ここでは,超高揚程ポンプ水車の開発の根幹となった
流体設計,構造設計,主要コンポーネント,特殊運転技
術の概略について述べた｡)今後は,性能のいっそうの向上,構造の合理化,各コ
ンポーネントの改善,点検･補修容易化などを口指すと ともに,この開発で得た技術成果を,ポンプ水車にとど まらず,専用水車の領域にも適用していく考えである｡参考文献
1)N.YamagしIChi:Stren幻hReliabilityofRunnerfnr700-800m Class Sillgle Stage Pump Tし1rbine,Proc.16th
IAl-iRSymposiしIm,19,S孟oPatllo(1992) 2)藤木,外:搭差700m･容量400九1W級超高洛差ポンプ水 車ランナ,口立評論,73,11,1083∼1088(平3-11) 3)吉田,外:清美600∼700m･容量400MW級のポンプ水 中,日1‡評論,76,10,739∼742(平6-10) 4=東野,外:寅近のハイドロタービン開発ツール,ターボ機 械,21-8,28(1993) 5)失敷.外:ターボ機械川3次プ亡翼間格子生成手法の開発, ターボ機械第41回講演会8,札幌(1998) 6)K.NiikしIra,etal.:TwoPhaseFl()WAnalysisandModel ′restResults()nAirLeakageinCondenserOperati()11()f PumpTurbine,Proc.ISFMFE,464,Beijing(1996) 執筆者紹介 細k 将ミ
